降低用电流传感器和铁磁芯进行大电流测量时的涡流影响

引言

用周围的铁磁芯测量母线排电流是一种常见技术。对于电动汽车充电等高于200A的大电流测量，Allegro建议使用专业的电流传感器，比如与磁芯结合使用的A1367(图1)。交流输入往往在磁芯中产生涡流，这些涡流可以改变受测磁场，降低电流测量精度。本文重点讨论交流电对电流测量的影响。请注意，本文中的所有结果均来自Ansys Maxwell软件进行的电磁仿真。

图1：采用磁芯和Allegro A1367构成的典型大电流测量系统。

测量原理

理想情况下，气隙中的磁场H与母线排或电流导线中的输入电流I完全成比例。因此，用线性磁场传感器测量该磁场，并表征输入电流和磁场之间的系数以测量该输入电流就足够了。该系数SC称为耦合因子或核心灵敏度。然而，该耦合因子仅在有限的电流和频率范围内是恒定的，该系数的任何变化都会导致输入电流测量误差，典型的精度要求在测量电流的几个百分点内。

涡流电流

涡流是伦茨定律(Lenz’s Law)的直接效应，它表明了由于变化的磁场在导体中产生的感应电流的方向和大小，该电流产生的磁场总是与导致感应电流的磁场变化相反。在使用铁磁芯的交流电流传感器应用中，随切向磁场的变化，会在芯内部感应出涡电流。图2是YZ横截面示意图，表示大铁芯中的涡电流。这些涡流产生与激励磁场Hexc相反的感应磁场Heddy。这在传感器层面上表现为测量的核心灵敏度SC降低，或者说是电流测量误差。

图2：大磁芯中的涡流示意图。

为了减小涡流，必须切断磁芯中的电流路径。使用薄片层叠芯可以实现这一点。这些薄片必须彼此电隔离。

层叠可以通过Y方向，或者通过Z方向叠片来实现(图3)。涡流虽然还存在，但幅度已经减小。

图3：叠层铁芯和相应的涡流：轧制(左)和堆叠(右)

A1367典型应用

这里考虑将Allegro A1367LKT线性传感器IC应用于典型的高电流应用。此应用中的最大峰值电流为600A，几何结构如图4所示。沿Z轴的核心长度为6mm。磁芯由铁磁材料制成，如具有典型磁特性的晶粒取向硅钢，如图5所示。初始相对磁导率为10000，饱和时的磁极化为1.8T。注意，为简单起见，不考虑磁滞，磁芯电阻率为45μΩ/cm。

图4：磁芯设计。

图5：核心磁特性。